Мусоросжигательный завод — предприятие, использующее технологию утилизации промышленных и твёрдых бытовых/коммунальных отходов посредством термического разложения ( сжигания ) в котлах или печах. Побочной функцией мусоросжигательных заводов является выработка тепловой и электроэнергии за счёт использования теплоты сгорания .

Мусоросжигательные заводы широко распространены в странах Западной и Северной Европы , в США и Японии . В России работают 10 таких предприятий, однако планируется существенное увеличение их числа .

История

Проблема утилизации отходов стала нарастать во время индустриализации , по мере распространения в быту материалов, не подверженных естественному разложению — к примеру, полимерных материалов и резины . Сжигание мусора в промышленных масштабах возникло во второй половине XIX века в Великобритании , где строились мусоросжигательные установки при мануфактурах. Первый в мире мусоросжигательный завод появился в 1874 году в Ноттингеме . Там же чуть позже была предпринята первая попытка энергетического использования мусоросжигания, когда была построена паровая установка, в качестве топлива для которой использовался мусор. Однако в то время мусор сжигался общей массой, без какой-либо сортировки на гомогенные фракции. Вместе с английскими переселенцами новая отрасль появилась и в США: первый американский мусоросжигательный завод был построен в Нью-Йорке в 1880 году. В те же годы в ряде американских городов создавались мусоросжигательные установки в многоквартирных домах, которые использовались также и для отопления. Однако дымовые газы из негерметичных труб попадали в жилые помещения, так что от использования таких установок довольно быстро отказались. Кроме того, в США вплоть до 1960-х годов мусоросжигательные заводы были мало распространены, и заменяли их преимущественно автономные установки .

Параллельно мусоросжигательные заводы строились и во Франции . Первый из них был построен в 1893 году возле Парижа . А в 1896 году в Сент-Уэне открылся первый в мире мусоросжигательный завод с измельчающей машиной. В последующие десять лет ещё три таких же завода было построено в пригородах Парижа .

В 1930 году инженеры швейцарской фирмы разработали печь с колосниковой решёткой для слоевого сжигания мусора, что значительно снизило себестоимость процесса, поскольку отпала потребность в использовании мазута или каменного угля в качестве топлива для равномерного распределения температуры. Эта же фирма в 1933 году построила в нидерландском Дордрехте первую в мире тепловую электростанцию, работающую на энергии сжигаемого мусора.

В 1950-е годы на мусоросжигательных заводах стал распространяться метод пиролиза отходов .

В 1972 году первые мусоросжигательные заводы были построены в СССР , однако, на них не применялась принятая к тому времени в Европе и Северной Америке система газоочистки, что делало их менее экологически безопасными .

Технологии

На мусоросжигательных заводах применяется несколько технологий сжигания отходов, которые различаются в основном по типу печей. Наиболее распространённая технология — слоевое сжигание. Также применяются технологии пиролиза и газификации твёрдых бытовых отходов .

Слоевое сжигание

При слоевом сжигании используются камеры сгорания с колосниковыми решётками (решётка может быть как подвижной, так и неподвижной — чаще используется подвижная). Слой мусора располагается на решётке, на которую подаются горячие воздушные потоки. Сжигание осуществляется при температурах 850—1500⁰C (они могут варьироваться в зависимости от химического состава мусора). Также в зависимости от типа решётки и состава мусора подача воздуха внутри камеры может идти в разных направлениях: параллельно потоку отходов, против него, либо в определённых точках камеры (как правило, в её центре). Зола и шлак утилизируются из камеры сгорания через охлаждаемый водой резервуар. Одна камера с подвижной колосниковой решёткой может перерабатывать около 35 тонн отходов в час и работать около 8 тысяч часов в год .

Также на мусоросжигательных заводах используется технология кипящего слоя . При её применении отходы предварительно разделяют на гомогенные фракции, а затем сжигают в камерах путём подачи горячего воздуха через предварительно загруженный туда слой песка , доломитовой крошки или другого сыпучего абсорбента, который обладает высокой теплопроводностью. Технология кипящего слоя позволяет значительно сократить выбросы токсичных веществ при сжигании. Однако эта технология имеет недостаток из-за непригодности для сжигания смешанной массы отходов. Технология кипящего слоя при сжигании мусора широко распространена в Японии .

Пиролиз и газификация

Технология пиролиза мусора применяется при переработке опасных отходов. К этой группе относятся некоторые виды пластмасс , резина (часто это технология применяется для переработки автомобильных шин ) и ряд промышленных отходов. Пиролиз твёрдых бытовых отходов предполагает их разложение под давлением в бескислородной среде во вращающейся печи, в которую отходы подаются противотоком к обогревающим газам. Пиролиз происходит при температуре 400—600⁰C, а выделяющиеся при горении газы направляются в камеру дожигания, где они сгорают уже при подаче кислорода. В результате этого процесса образуются жидкости и газы с высокой удельной теплотой сгорания, которые могут использоваться в качестве топлива, а также твёрдый осадок, пригодный для использования в качестве сырья на ряде производств химической промышленности . Для переработки мусора пиролиз применяется с 1950-х годов .

Помимо собственно пиролиза в переработке отходов применяется также технология газификации , то есть высокотемпературного пиролиза (около 1000⁰C), в результате которого из разлагаемых отходов получают синтез-газ (смесь водорода с монооксидом углерода ), используемый затем в энергетике и химической промышленности .

Плазменная технология

Плазменная технология утилизации ТКО представляет собой их разложение в электродуговых печах при температуре до 4000⁰C, получаемой за счёт энергии электрической дуги в присутствии водяного пара в качестве плазмообразующего газа. При использовании этой технологии степень разложения отходов составляет выше 99 %, что делает её одной из наиболее эффективных. Однако широкого распространения она не имеет из-за высокой себестоимости и применяется в основном для утилизации высокотоксичных отходов (к примеру, медицинских) .

Выбросы и экологическая безопасность

Степень воздействия мусоросжигательных заводов на окружающую среду зависит в значительной мере от соблюдения правил сжигания ТКО, к которым относятся: сортировка отходов перед сжиганием, с удалением из них негорючих, а также подверженных гниению компонентов; поддержание необходимой температуры в печах в процессе сжигания; обязательная проверка золы на выщелачивание перед её захоронением; при использовании технологии пиролиза — обязательное вторичное дожигание газов. При этом наличие определённого процента выбросов в атмосферу на мусоросжигательных заводах остаётся неизбежным .

В дымовых газах содержится углекислый газ , в меньшей степени — оксиды азота и серы (преимущественно (IV) и (VI) ), хлороводород и фтороводород , соединения тяжёлых металлов ( кадмия , свинца , ртути ). Особое внимание привлекают выбросы токсичных фуранов , а также диоксинов , образующихся при сжигании хлорсодержащих полимерных материалов (к примеру, поливинилхлорид ). Однако количественно МСЗ производят значительно меньше диоксинов, чем неконтролируемые пожары на свалках и частные костры. Помимо соблюдения правил сортировки и сжигания мусора, существует и ряд других мер по снижению концентрации выбросов мусоросжигательных заводов. Основной из них — адсорбция диоксинов (при помощи, к примеру, активированного угля ) с улавливанием твёрдых частиц .

Недостаточно качественная предварительная сортировка ТКО может приводить к образованию большого количество золы и шлака (в количестве порядка ~20-25 % от сухой массы отходов). Другим недостатком метода сжигания при утилизации ТКО является уничтожение ряда ценных компонентов отходов, которые могли бы использоваться в промышленности в качестве вторичного сырья .

Тем не менее, сжигание мусора, как метод его утилизации, имеет и ряд серьёзных преимуществ. Мусоросжигание более надёжно обезвреживает отходы, снижая риск загрязнения ими почв и грунтовых вод — в отличие от захоронения отходов на полигонах. Кроме того, существенно снижается количество отходов: в объёме — примерно в 10 раз, в массе — в 3 раза. Другое важное преимущество — возможность использования в промышленных масштабах тепловой энергии, образующейся в процессе мусоросжигания .

Энергетическая ценность

Вторичной функцией мусоросжигательных заводов является использование тепловой энергии производственного процесса, в том числе, для выработки электроэнергии. Теплотворная способность твёрдых бытовых отходов может достигать 8400 кДЖ/кг, что соответствует показателям ряда низкосортных видов топлива (к примеру, бурого угля и торфа ). Энергетическая ценность твёрдых бытовых отходов может достигать 600—700 кВт электроэнергии или 2—3 Гкал тепловой энергии на 1 тонну мусора. В результате ТКО часто рассматриваются в качестве нетрадиционного вида топлива. Невысокий КПД компенсируется тем, что ТКО всё равно необходимо утилизировать. Использование ТКО в качестве дополнительного источника энергии стало всерьёз рассматриваться в развитых странах в 1970-е годы, во время мирового энергетического кризиса , что привело к интенсивному развитию технологий мусоросжигания и росту числа заводов. По подсчётам, сделанным в США и Германии , вовлечение всех ТКО в мусоросжигание способно покрыть до 2—3 % энергетических потребностей этих стран. В Швеции в настоящее время мусоросжигательные заводы вырабатывают примерно 16 % тепловой и 1,4 % электроэнергии страны. Также значительную долю в производстве тепловой энергии мусоросжигательные заводы составляют в Германии, Франции и Швейцарии .

Из-за достаточно высоких затрат на строительство мусоросжигательных заводов их использование для производства тепловой и электроэнергии имеет смысл только при расположении завода при крупном городе с населением не меньше 350 тысяч человек .

Распространённость мусоросжигательных заводов

Количество мусоросжигательных заводов в мире в настоящий момент приближается к 2 тысячам. Мировыми лидерами отрасли являются Дания и Швейцария, где уровень сжигания твёрдых бытовых отходов составляет около 80 %. В Японии он составляет порядка 70 %. В среднем по Европейскому Союзу — 25 %: при этом показатели по разным странам варьируются от 1 % ( Болгария , Румыния ) до 80 % (Дания). В Швеции, Финляндии и Бельгии — около 50—60 %; в Германии, Австрии , Франции и Италии — около 20—40 %; в Великобритании и США — 10 %, в России — 2,3 % .

В Европе функционирует более 400 предприятий термической обработки ТКО . Большинство европейских мусоросжигательных заводов расположено во Франции (около 300). При этом 80 из них используются также в энергетических целях, в том числе 12 мусоросжигательных заводов, вовлечённых в энергоснабжение Парижа. В Швейцарии по состоянию на начало 2010-х годов действовало 37 мусоросжигательных заводов, при этом часть мусора в Швейцарию импортируется из-за рубежа (преимущественно из Германии). Примерно две трети швейцарских заводов участвуют в энергоснабжении жилых домов. В Германии насчитывается 68 мусоросжигательных установок и около 30 электростанций, работающих на сжигании ТКО, общей мощностью около 5 млн тонн. В Швеции действует 34 мусоросжигательных завода, которые ежегодно перерабатывают около 2,5 млн тонн мусора. Зола, остающаяся после сжигания, используется в химической промышленности (в основном, для извлечения металлов), а также при строительстве автодорог . Кроме того, мусоросжигательные заводы Швеции вырабатывают около 16 % тепловой и 1,4 % электрической энергии в стране. В Финляндии действует 9 мусоросжигательных заводов с суммарной пропускной способностью порядка 1,5 млн тонн мусора в год. Самый крупный из них — в Вантаа , имеющий мощность 320 тысяч тонн в год, и покрывающий половину потребностей города в тепловой и около трети — в электроэнергии .

В некоторых городах Европы при строительстве мусоросжигательных заводов применяются нестандартные архитектурные решения. Ярким примером является мусоросжигательный завод Шпиттелау в Вене , построенный в конце 1980-х годов и оформленный по проекту венского архитектора Фриденсрайха Хундертвассера . Этот завод стал одной из достопримечательностей австрийской столицы. В 2017 году в Копенгагене открылся мусоросжигательный завод Амагер Бакке , спроектированный бюро ; на его крыше в 2019 году открылся горнолыжный спуск .

В США действует 89 мусоросжигательных заводов, на которых суммарно сжигается более 30 млн тонн отходов ежегодно и вырабатывается более 17 ТВт*ч электроэнергии .

В Китае не существовало мусоросжигательных заводов до 2000-х годов. Однако уже в начале 2010-х сжиганию подвергалось около 25 млн тонн мусора в год. Япония, в свою очередь, является одним из мировых лидеров в мусоросжигании, там оно стало развиваться ещё в середине XX века. В настоящий момент в Японии сжигают около 70 % ТКО. Кроме того, Япония наиболее широко, в сравнении с другими странами, использует в этой отрасли технологию кипящего слоя .

Россия

Россия в отрасли мусоросжигания, как и в целом утилизации мусора, отстаёт от развитых стран . На 2019 год действует 10 мусоросжигательных заводов, из которых 3 компании « EVN AG » расположены в Москве . При этом во второй половине 2010-х годов в России стартовал проект «Энергия из отходов», который предполагает существенное увеличение количества мусоросжигательных заводов в стране и использование их в энергетике. В рамках пилотного проекта компанией «РТ-Инвест» в сотрудничестве с японско-швейцарской компанией «Hitachi Zosen INOVA» планируется строительство к 2022 году четырёх мусоросжигательных заводов в Московской области и одного в Татарстане . Предполагаемая мощность каждого из заводов в Подмосковье — порядка 700 тысяч тонн мусора в год, численность сотрудников — около 120 человек на одном заводе; предполагаемая мощность завода в Татарстане — около 550 тысяч тонн. Подмосковные заводы должны будут обеспечивать электроэнергией суммарно 1,5 миллиона человек. После этого планируется строительство таких же заводов и в других регионах России .

Примечания